Am găsit un articol scris de Stefano Profumo, profesor la UC Santa Cruz, având titlul „What if dark matter came from a mirror universe?” și publicat în jurnalul Physical Review D. Acest studiu, menționat recent și de ScienceDaily, schimbă fundamental perspectiva când privim universul nostru, propunând o viziune în care realitatea vizibilă este doar jumătatea unei structuri mult mai vaste.

Pentru a înțelege amploarea acestei provocări, trebuie să pornim de la o recunoaștere a propriei noastre „marginalități” materiale. Observațiile cosmologice actuale ne indică o structură a Universului în care materia barionică — cea din care suntem făcuți noi, stelele și tot ce este vizibil — reprezintă un modest aproximativ 5%. Restul este un teritoriu al umbrelor: aproximativ 25% este ocupat de materia întunecată, iar imensa pondere de 70% revine energiei întunecate, acea forță misterioasă care accelerează expansiunea spațiu-timpului.

Întrebarea care a bântuit fizica ultimelor decenii este: care ar putea să fie modelul matematic care descrie acest raport? Cum facem ca în model materia întunecată să fie de aproximativ cinci ori mai abundentă decât cea pe care o putem vedea? Stefano Profumo schimbă perspectiva clasică. El nu mai caută particule exotice singulare, neutrinii despre care am vorbit puțin în capitolul anterior, ci ne invită să privim către un întreg „sector oglindă” ce coexistă cu noi în aceeași textură a spațiu-timpului.

Din perspectiva relativității generale, acest „sector umbră” funcționează ca un univers paralel care locuiește în aceleași coordonate cu universul nostru. Nu este vorba despre o dimensiune suplimentară, ci despre o dublare a conținutului energetic al aceleiași varietăți pe care o descriem prin ecuațiile de câmp. În acest model, materia întunecată este rezultatul unei asimetrii termice primordiale: în timp ce universul nostru s-a răcit permițând formarea atomilor, sectorul oglindă s-a „congelat” mult mai rapid în structuri masive și dense, numite barioni întunecați.

Marea eleganță a teoriei este că raportul de 5:1 între cele două tipuri de materie rezultă natural din dinamica termică a acestui sector, fără a fi nevoie de constante introduse arbitrar.

Ceea ce fascinează în această abordare este revenirea la supremația Geometriei. Dacă materia obișnuită și materia oglindă nu comunică decât prin intermediul metricii, atunci universul vizibil este doar o peliculă fină care plutește peste un ocean de structuri invizibile. Galaxiile nu mai sunt insule izolate, ci structuri ancorate în „porturi” gravitaționale create de acest univers oglindă.

Spre deosebire de ipotezele clasice care descriu materia întunecată ca pe un gaz difuz de particule, modelul lui Profumo sugerează că aceasta se manifestă ca o populație de obiecte discrete și compacte. Aceasta oferă o cale unică de testare: efectul de microlentilă gravitațională. Când un astfel de obiect invizibil trece prin fața unei stele, el curbează lumina conform metricii Schwarzschild, trădându-și prezența prin amplificarea imaginii sursei. Deci lumina stelei este curbată suplimentar datorită materiei întunecate. Cum se ajunge la această simfonie a dedublării?

Pentru a obține rezultatele descrise, Profumo propune ca din punct de vedere matematic în partea dreaptă a ecuațiilor de câmp ale lui Einstein exprimate prin egalitatea „geometrie=materie”, să scriem „geometrie= materie+materie oglindă”. Metrica va depinde în mod esențial de adaosul de tip „materie oglindă”. Se obține descrierea matematică a unui univers în care traiectoria materiei barionice care urmează geodezicele este de fapt influențată de materia oglindă care a participat la „desenarea” geodezicelor. Celelalte consecințe de mai sus au o descriere matematică coerentă care permite predicții testabile prin experiment. Surpriza abia acum vine.

Există un corolar al acestei alegeri, o explicație pentru celălalt mare mister al fizicii universului, energia întunecată. Iată cum speculez eu că trebuie gândit. Putem să facem un raționament de tipul: dacă două universuri coexistă în aceeași varietate, energia de vid a spațiului s-ar putea modifica prin simpla lor suprapunere. Putem deci specula că energia întunecată nu este o substanță, ci o presiune reziduală — un „preț” energetic pe care spațiu-timpul îl plătește pentru a găzdui simultan ambele sectoare. Această tensiune constantă între fluctuațiile de vid ale celor două lumi devine chiar motorul care accelerează expansiunea Universului vizibil. Interpretarea energiei întunecate ca o „tensiune” între fluctuațiile de vid ale celor două sectoare oferă o explicație fizică pentru constanta cosmologică. În loc să fie o proprietate intrinsecă și inexplicabilă a spațiului gol, ea ar deveni o interacțiune de fundal între cele două realități suprapuse.

Suntem martorii unei schimbări de paradigmă în care fizica particulelor cedează locul unei cosmologii a structurilor compacte și a interacțiunilor geometrice. Universul oglindă ne forțează să acceptăm că realitatea este stratificată nu prin spațiu, ci prin interacțiune. Ideea că materia oglindă nu ocupă o dimensiune suplimentară ci locuiește în aceleași coordonate, este esențială. Aceasta transformă materia întunecată dintr-o „substanță străină” într-o „prezență geometrică”. Practic, materia barionică devine un „test particle” care simte potențialul gravitațional generat de o masă pe care nu o poate vedea, dar care dictează forma geodezicelor pe care noi circulăm.

Trăim, spune Profumo, într-un univers dual, unde jumătate din poveste este scrisă cu lumină, iar cealaltă jumătate — cea mai grea — este scrisă doar în limbajul curburii spațiu-timpului. Suntem pasageri pe o geodezică trasată de o materie pe care nu o vom putea atinge niciodată, dar a cărei îmbrățișare gravitațională menține coeziunea totului.

Iar această poveste nu ar fi fost posibilă fără ideea asta extraordinară a universului oglindă din universul nostru…ții cu caracter profund geometric, spune explicit că geometrizarea nu are o semnificație profundă, că este o alegere prin care noi putem să descriem mai ușor realitatea. Deci Einstein adoptă o poziție aproape convenționalistă, apropiată în sens de convenționalismului lui Poincaré despre care am mai discutat.

Prima întrebare care mi-a venit în minte a fost: ok, nu crede în semnificația profundă a geometrizării, atunci de ce a înlocuit forța gravitațională a lui Newton și ecuațiile Laplace și Poisson care descriu câmpul gravitațional clasic cu acele ecuații geometrice?
Nu a făcut-o tocmai pentru că ecuațiile geometrice de câmp conduceau la modele care ofereau predicții testabile în cazul unor experimente care nu puteau fi explicate cu vechea teorie a gravitației?
Răspunsul este aici evident. A făcut-o pentru că geometrizarea aducea perspectiva lămuritoare cel puțin în problemele precesiei periheliului lui Mercur și al curburii razelor de lumină în câmp gravitațional. Și atunci de ce nu consideră el că noul model geometric pe care l-a creat reprezintă cel puțin pentru moment noua imagine a Universului? Există un alt mod în care Universul ar putea fi descris și geometria poate să fie exclusă?
Răspunsul scurt este:
Da, matematic se poate încerca, dar fizic geometria curbată reapare inevitabil.

Iată structura acestui argument pe care doresc să-l vi-l împărtășesc.

Gravitația poate fi descrisă excluzând curbura spațiu-timpului.
Așa cum au demonstrat Feynman și Weinberg, folosind spațiul plat Minkowski și un câmp tensorial de spin-2, se poate rescrie descrierea teoretică a gravitației.

Dar experimentele cer măsurători.

Când încerci să excluzi geometria folosind un câmp cuantic pe un spațiu plat, legile de conservare cer ca acel câmp să fie puternic neliniar. Această neliniaritate interacționează cu instrumentele de măsură (rigle și ceasuri) în așa fel încât fundalul plat inițial devine complet inobservabil. Orice obiect fizic va urma traiectorii dictate exclusiv de o metrică efectivă curbată care provine din metrica plata Minkowski prin schimbarea coeficienților sub acțiunea câmpului cuantic de spin-2.

Chiar dacă se poate exclude geometria curbată din premisele (axiomele) teoriei, universul o forțează înapoi în concluziile ei (ceea ce măsurăm efectiv).
Geometria refuză să fie ștearsă.

Cred că esența citatului lui Einstein este tocmai jumătatea de adevăr din conținutul ei.
Matematic vorbind, teoria Feynman-Weinberg folosind spațiul plat Minkowski și câmpul tensorial de spin-2 descrie același univers ca teoria lui Einstein care folosește spațiul curbat și ecuațiile de câmp. Asta arată un „convenționalism din punctul de vedere al descrierii matematice”, un fizician poate să aleagă una dintre cele două posibile descrieri pentru gravitație.

Einstein are din punct de vedere matematic dreptate.

Dar spațiul plat Minkowski de la baza teoriei Feynman-Weinberg este principial invizibil și inobservabil când este vorba de efectele gravitației. El este o structură fantomă pe care fizicianul o scrie pe hârtie, dar pe care niciun experiment din univers nu o poate „pipăi”. Când fizicienii, precum Stanley Deser în 1970, au demonstrat riguros echivalența celor două teorii anterioare, au arătat că adunând infinitele auto-interacțiuni ale câmpului de spin-2 în spațiu plat, rezultatul matematic este exact tensorul metric din teoria relativității.

Aici intervine briciul lui Ockham: de ce să postulăm un spațiu plat neobservabil și o forță infinit de complexă care îl ascunde perfect, când putem postula direct că metrica curbată este geometria reală a universului?

Asta ne arată de ce un fizician ar trebui să aleagă modelul matematic al relativității generalizate.

Geometria se insinuează datorită efectelor observabile ale gravitației, care în experimente sunt evidențiate de metrica curbată și nu de metrica Minkowski inițială. De ce am postula ceva (metrica Minkowski) care oricum se transformă în altceva (metrica curbată) atunci când dorim să descriem realitatea?

Geometrizarea are o semnificație profundă. Efectele gravitației se văd numai prin geometrizare, chiar dacă putem să le descriem prin efectele câmpului cuantic. Geometrizarea nu poate fi înlăturată!

Din cele ce am spus rezultă că obiectele scufundate în spațiu-timp resimt câmpul gravitațional. Acesta trebuie să fie modelat prin ecuațiile de câmp ale lui Einstein, care au natură geometrică. Mai mult, prin utilizarea coordonatelor normale Fermi, se poate demonstra că, local, orice traiectorie curbată sub efectul gravitației poate fi descrisă ca o mișcare rectilinie și uniformă. Subliniez, matematica prin geometria coordonatelor Fermi, evidențiază capacitatea unui punct material care se deplasează pe o geodezică a spațiu-timpului să creadă că merge în linie dreaptă. Laureatul Nobel Eugene Wigner avea dreptate afirmând că este incredibil cum matematica, aici geometria, este astfel construită încât să te întrebi dacă doar descrie realitatea sau este chiar realitate.

Însă, indiferent de prudența filozofică a lui Einstein, evidența este că acest „indiciu” geometric a devenit singura fereastră prin care putem privi Universul la scară mare.
Corpurile masive deformează și distorsionează spațiu-timpul din jurul lor, influențând traiectoria altor obiecte și chiar pe cea a luminii. Cu cât masa este mai mare, cu atât curbura este mai accentuată. Geometria nu poate fi ignorată. Cu toate acestea, citatul lui Einstein poate fi citit ca minimalizând caracterul inevitabil fizic al geometriei, tratând-o mai degrabă ca pe o alegere de limbaj decât ca pe o constrângere impusă de observație.

Nu ar fi însă prima dată când Einstein se înșeală.
Exemplele cele mai cunoscute când vine vorba chiar despre relativitate sunt:
Universul său static cu sensul greșit dat constantei cosmologice;
Metrica folosită pentru calculul traiectoriei planetelor și al razelor de lumină.
Mai există alte exemple în cuantică.

Dar când punem în balanță realizările, aceste scăpări ale unui mare spirit sunt neglijabile.

Rămânem cu ideea:
Einstein are dreptate când afirmă că geometria nu este un postulat necesar al teoriei; dar fizica arată că geometria este inevitabil impusă de experiență, indiferent de limbajul ales.